2.5 混合钳位3H桥的构成及其工作原理

混合钳位式多电平逆变器是指采用二极管和电容混合钳位的多电平逆变器，它可以使两种钳位方式的优缺点互补，即在二极管钳位式多电平逆变器中加入电容钳位后，可以克服二极管钳位式多电平逆变器的一些缺点，使其性能进一步提高。

2.5.1 混合钳位式三电平逆变器的结构原理

在二极管钳位式三电平逆变器中，桥臂内侧的开关管存在着关断过电压的问题。为了解决这个问题，可以将二极管钳位与电容钳位结合起来构成一种混合式三电平逆变器电路，其原理电路如图2-14所示。下面介绍它的工作原理。

和二极管钳位式三电平逆变器相比，这种电路是在二极管钳位式三电平逆变器电路中增加了一个钳位电容CX，正是由于这个钳位电容的存在，帮助二极管钳位式三电平逆变器解决了不少问题。

对于二极管钳位式三电平逆变器，假设没有钳位电容CX存在，当开关管S1关断时，由于电路中杂散电感的存在，在开关管S1两端就会产生感应电动势。但由于钳位二极管D的存在，使得开关管S1两端的电压最终被钳位在电容Cd1的电压上（直流分压电容Cd1=Cd2， Cd1上的电压为E/2），过电压不会维持；对于开关管2，钳位的原理和开关管S1 相同。但对开关管S2或1来说情况有所不同，二极管D和D′无法为其提供钳位通路（如果过电压超过直流电源电压E，则可以通过分压电容Cd1和Cd2放电；但显然此时过电压已经超过开关管S2和的正常耐压水平了），过电压就无法消除。在通常情况下，如果过电压现象比较严重时，就需要考虑对开关管S2和加入单独的吸收电路（如RCD吸收电路等）。当电平数增多时，除了外围的6个器件外，所有的内侧开关器件都可能需要加入辅助吸收电路，这样一来，就大大增加了逆变器电路的复杂程度，也会引起造价的升高。

加入钳位电容CX后，由于CX分别和反馈二极管D或D′构成了钳位电路，使得开关管S2或关断时产生的过电压被钳位（CX上的电压和分压电容Cd1、Cd2相同）。在开关模式方面，这种逆变器和电容钳位式三电平逆变器相同，但它比二极管钳位式三电平逆变器电路更加灵活。

综上所述，加入钳位电容CX具有以下作用：

①可以减轻桥臂内侧开关管上的过电压；

②可以为电流提供双向通路；

③可以更好地实现电容上电压的均衡。

此外，由于加入了钳位电容 CX，使得开关 S2 与不能同时导通，使得三个电平+E/2，0，-E/2中的0电平可以通过两种开关方式得到：一种是开关管S2和同时导通，开关管S1和关断；另一种是开关管S1和同时导通，开关管S2和关断。这就使得三相三电平逆变器在变频调速系统中应用时的开关状态由二极管钳位式的27个增加到64个。开关相量数的增加使得相量合成的灵活性大大增加，可以实现更复杂的控制，但是随之而来的是控制难度也大大增加了。

在混合钳位式三电平逆变器中，IGBT的开关状态和输出电平之间的关系如表2-5所示。

表2-5中的四种输出状态的等效电路如图2-15所示。对于图中相应的每一种开关状态的电流回路分述如下。

（1）输出+E/2：如图2-15（a）所示，在这种状态下，由于开关管S1和S2的导通，以及由二极管D2和D1构成了交流回路，使得负载电流有了双向流动的可能性，如图中虚线所示，输出电压为+E/2。如果电容CX上的电压高于0，则CX被负载电流放电，如图中虚线①所示；反之，如果电容CX上的电压低于0，它将按虚线②所示的回路被电容Cd1充电到0。由此可见，在获得需要的输出电压的同时，直流电容的电压是自动保持平衡的。

（2）输出+0：如图2-15（b）所示，电流回路在图中已经标示出。直流电容Cd2经由二极管D1和开关管S2组成的通路放电，D2、CX、组成了负载电流的双向回路，如图中的虚线所示，输出电压为+0。根据直流电容Cd1和Cd2电压差值的不同，钳位电容CX或者通过虚线所示的回路①充电，或者通过D1、CX、和、CX、组成的回路②放电，也可以自动补偿已有的中点电压偏移。

（3）输出-0：如图2-15（c）所示，输出电压为-0，但是电流回路分别为Cd2，Cd1， S1，CX，′1和、D2、Cd2构成的双向负载电流回路，如图中虚线所示。如果电容CX的电压低于电容Cd1的电压，则可以通过Cd1，S1，CX，D2 构成的回路充电，以达到中点电压的平衡。

（4）输出-E/2：如图2-15（d）所示，输出电压为-E/2。由二极管、′1 构成负载电流双向回路。如果电容 Cd2上的电压高于0，则可以通过虚线所示的回路给电容 CX充电。

由图2-15可知，如果在逆变器工作的初始状态时使电容CX上的电压为0，则在运行过程中通过不同回路的充、放电，可使CX上的电压保持的平衡值为0。电容CX的作用有两点：一是使负载电流可以实现双向回路流通；二是为直流电容的电压平衡起到关键作用。

混合钳位式三电平逆变器的输出电压表示式，与二极管钳位（或电容钳位）式三电平逆变器的输出电压表示式相同。

由式（2-41）可得

对于式（2-47）中的cosm′π来说，当m′等于偶数时，cosm′π=1；当m′等于奇数时， cosm′π=-1。因此，式（2-47）也可以写成

2.5.2 混合钳位3H桥逆变器

混合钳位3H桥逆变器是由两个混合钳位式三电平逆变器并联组成的，如图2-16所示。A桥臂与直流分压电容Cd1、Cd2（Cd1=Cd2）组成半桥式三电平逆变器A，其输出电压为uAO；B桥臂与直流分压电容Cd1、Cd2（Cd1=Cd2）组成半桥式三电平逆变器B，其输出电压为uBO。单相全桥混合钳位式五电平逆变器的输出电压为uAB=uAO-uBO，其表示式与二极管（或电容）钳位式单相全桥五电平逆变器相同，即由式（2-44）得